A diffrakció jelensége abszolút minden hullámra jellemző, például elektromágneses hullámokra vagy a víz felszínén megjelenő hullámokra. Ez a cikk a hang diffrakciójáról szól. Figyelembe veszi ennek a jelenségnek a jellemzőit, példákat adunk a mindennapi életben és az emberi használatban való megnyilvánulására.
Hanghullám
Mielőtt a hang diffrakciójára gondolnánk, érdemes néhány szót ejteni arról, hogy mi is a hanghullám. Ez egy fizikai folyamat, amelynek során energiát adnak át bármilyen anyagi közegben, anyagmozgás nélkül. A hullám egy közegben terjedő anyagrészecskék harmonikus rezgése. Például a levegőben ezek a rezgések magas és alacsony nyomású területek kialakulásához vezetnek, míg szilárd testben ezek már nyomó- és húzófeszültségű területek.
A hanghullám a közegben egy bizonyos sebességgel terjed, ami a közeg tulajdonságaitól (hőmérséklet, sűrűség stb.) függ. 20 oC-on a levegőben a hang körülbelül 340 m/s sebességgel terjed. Figyelembe véve, hogy egy személy 20 Hz és 20 kHz közötti frekvenciákat hall, meg lehet határoznimegfelelő korlátozó hullámhosszok. Ehhez használhatja a következő képletet:
v=fλ.
Ahol f a rezgések frekvenciája, λ a hullámhosszuk, v pedig a mozgás sebessége. A fenti számokat behelyettesítve kiderül, hogy az ember 1,7 centimétertől 17 méterig terjedő hullámhosszú hullámokat hall.
A hullámdiffrakció fogalma
A hangdiffrakció olyan jelenség, amelyben a hullámfront meghajlik, amikor átlátszatlan akadályba ütközik az útja mentén.
A diffrakció szembetűnő mindennapi példája a következő: két ember egy lakás különböző szobáiban tartózkodik, és nem látják egymást. Amikor egyikük kiált valamit a másiknak, a másik hangot hall, mintha a forrás a szobákat összekötő ajtóban lenne.
Kétféle hangelhajlás létezik:
- Hajlás egy olyan akadály körül, amelynek méretei kisebbek a hullámhossznál. Mivel az ember meglehetősen nagy hullámhosszú hanghullámokat hall (akár 17 méterig), ez a típusú diffrakció gyakran előfordul a mindennapi életben.
- A hullámfront változása, ahogy áthalad egy keskeny lyukon. Mindenki tudja, hogy ha egy kicsit résnyire nyitva hagyja az ajtót, akkor minden kívülről jövő zaj, amely behatol a kissé nyitott ajtó szűk résébe, betölti az egész helyiséget.
A különbség a fény és a hang diffrakciója között
Mivel ugyanarról a jelenségről beszélünk, ami nem függ a hullámok természetétől, a hangelhajlási képletek pontosan ugyanazok, mint a fénynél. Például egy ajtó résén áthaladva a diffrakcióhoz hasonló feltételt írhatunk a minimumra. Fraunhofer egy szűk résen, azaz:
sin(θ)=mλ/d, ahol m=±1, 2, 3, …
Itt d az ajtórés szélessége. Ez a képlet határozza meg a helyiség azon területeit, ahol nem hallható kívülről jövő hang.
A hang- és fénydiffrakció közötti különbségek pusztán mennyiségiek. A tény az, hogy a fény hullámhossza több száz nanométer (400-700 nm), ami 100 000-szer kisebb, mint a legkisebb hanghullámok hossza. A diffrakció jelensége erősen megnyilvánul, ha a hullám és az akadályok méretei közel vannak. Emiatt a fent leírt példában két ember, akik különböző helyiségekben vannak, nem látják egymást, hanem hallják.
Rövid és hosszú hullámok diffrakciója
Az előző bekezdésben megadtuk a hang rés általi diffrakciójának képletét, feltéve, hogy a hullámfront lapos. A képletből látható, hogy d állandó értékénél a θ szögek minél kisebbek, annál rövidebbek lesznek a λ hullámok a résre. Más szóval, a rövid hullámok rosszabbul diffrakciósak, mint a hosszúak. Íme néhány valós példa e következtetés alátámasztására.
- Amikor az ember sétál a város utcáin, és olyan helyre érkezik, ahol zenészek játszanak, először alacsony frekvenciákat hall (basszus). Ahogy közeledik a zenészekhez, magasabb frekvenciákat kezd hallani.
- A mennydörgés, amely a szemlélőtől nem messze történt, meglehetősen magasnak tűnik (nem összetévesztendő az intenzitással), mint ugyanaz a hengerlés néhány tíz kilométerrel arrébb.
Az ezekben a példákban leírt hatások magyarázata az alacsony frekvenciájú hangok nagyobb diffrakciós képessége és kisebb elnyelési képessége a magas frekvenciákhoz képest.
Ultrahangos hely
Ez egy elemzési vagy tájékozódási módszer a területen. Mindkét esetben az az elképzelés, hogy a forrásból ultrahanghullámokat (λ<1, 7 cm) bocsátanak ki, majd azokat visszaverik a vizsgált tárgyról, és a vevő által a visszavert hullámot elemzik. Ezt a módszert az ember a szilárd anyagok hibás szerkezetének elemzésére, a tengermélységek domborzatának tanulmányozására és néhány más területen alkalmazza. Az ultrahangos helymeghatározás használatával a denevérek és a delfinek navigálnak az űrben.
A hangdiffrakció és az ultrahangos hely két összefüggő jelenség. Minél rövidebb a hullámhossz, annál rosszabb a diffrakció. Ezenkívül a vett visszavert jel felbontása közvetlenül függ a hullámhossztól. A diffrakció jelensége nem teszi lehetővé két objektum megkülönböztetését, amelyek távolsága kisebb, mint a diffrakciós hullám hossza. Ezen okok miatt inkább ultrahangos, semmint hangos vagy infrahangos helymeghatározást használnak.
